組成原理--計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1、 課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù) 教材教材 學(xué)時分配學(xué)時分配 參考書目參考書目 測評測評 課程性質(zhì)：課程性質(zhì)： 計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心專業(yè)基計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心專業(yè)基 礎(chǔ)課程。礎(chǔ)課程。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論；運(yùn)算方法和運(yùn)算器運(yùn)算方法和運(yùn)算器；內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器；指指 令系統(tǒng)令系統(tǒng)；中央處理機(jī)中央處理機(jī)；總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)；外圍設(shè)備外圍設(shè)備；輸入輸出系輸入輸出系 統(tǒng)；并行體系結(jié)構(gòu)統(tǒng)；并行體系結(jié)構(gòu)。 主要任務(wù)：主要任務(wù)： 通過本課程的學(xué)習(xí)，使得同學(xué)們初步了解和掌握計(jì)算通過本課程的學(xué)習(xí)，使得同學(xué)們初步了解和掌握計(jì)算 機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)

2、的主要組成和工作原理，著重于計(jì)算機(jī)硬機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的主要組成和工作原理，著重于計(jì)算機(jī)硬 件和體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)扎實(shí)的計(jì)算機(jī)硬件動手能力，為后繼件和體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)扎實(shí)的計(jì)算機(jī)硬件動手能力，為后繼 計(jì)算機(jī)課程的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)課程的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 （第（第5版版 立體化教材）立體化教材） 主編：白中英主編：白中英 戴志濤戴志濤 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 共共4040+ +1616= =5656學(xué)時學(xué)時 其中：其中： 理論課：理論課：4040學(xué)時學(xué)時 實(shí)驗(yàn)課：實(shí)驗(yàn)課：1 16 6學(xué)時學(xué)時 l計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 馬馬 禮禮 人民郵電出版社

3、人民郵電出版社 l計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 張晨曦張晨曦 高教出版社高教出版社 l計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu) 王愛英王愛英 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 l計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 鄭緯民鄭緯民 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 l計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 王王 誠誠 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 l計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)( (第二版第二版) ) 胡越民胡越民 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 lComputer organizationComputer organization Carl hamcher Carl hamcher lThe Essent

4、ials of Computer Organization and The Essentials of Computer Organization and Architecture Linda NullArchitecture Linda Null等等 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 l 先修課程計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、電工技術(shù)與電子技術(shù)先修課程計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、電工技術(shù)與電子技術(shù) 要求（要求（requirement)：參考書盡量人手一冊參考書盡量人手一冊 n滿分：滿分：100分分 1. 筆試筆試 80% 2. 平時平時 20% 1.計(jì)算機(jī)的分類 2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史 3.計(jì)算機(jī)的硬件 4.計(jì)算機(jī)的軟件 5.計(jì)算

5、機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.1.1 1.1.1 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類( (Categorize)Categorize) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) (電子電子) 電子電子模擬模擬計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 電子電子數(shù)字?jǐn)?shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 專用專用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 通用通用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 巨巨型機(jī)型機(jī)(Super) 大大型機(jī)型機(jī)(Mainframe) 中中型機(jī)型機(jī)(medium) 小小型機(jī)型機(jī)(small) 微微型機(jī)型機(jī)(micro) 單單片機(jī)片機(jī)(single) (analog) (digital) (generic) (special) 雙核機(jī)雙核機(jī) 單片機(jī)單片機(jī) 微型機(jī)微型機(jī) 服務(wù)器服務(wù)器 大型機(jī)大型機(jī) 超級計(jì)算機(jī)超級計(jì)算機(jī)

6、體積體積 功耗功耗 性能性能 存儲量存儲量 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 價格價格 低低 高高 高高 低低 簡易性簡易性 六種通用計(jì)算機(jī)的區(qū)別六種通用計(jì)算機(jī)的區(qū)別 當(dāng)今高性能計(jì)算機(jī)：當(dāng)今高性能計(jì)算機(jī)： 曙光曙光 4 （排名第十）（排名第十） 單片機(jī)單片機(jī) 從使用器件角度，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代：從使用器件角度，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代： 一、第一代：電子管計(jì)算機(jī)一、第一代：電子管計(jì)算機(jī) 時間跨度：時間跨度：19461957 器件特性：電子管器件特性：電子管 運(yùn)算速度：幾千至幾萬次運(yùn)算速度：幾千至幾萬次/秒秒 缺點(diǎn)：體積大、成本高、不可靠缺點(diǎn)：體積大、成本高、不可靠 ENIAC（Electronic

7、Numerical Integrator And Computer） 電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī) 1.1.2.1 2.1 計(jì)算機(jī)的五代變化計(jì)算機(jī)的五代變化 二、第二代：晶體管計(jì)算機(jī)二、第二代：晶體管計(jì)算機(jī) 時間跨度：時間跨度：1958195819641964 器件特性：晶體管，磁芯存儲器器件特性：晶體管，磁芯存儲器 運(yùn)算速度：幾萬次運(yùn)算速度：幾萬次幾十萬次幾十萬次/ /秒秒 三、第三代：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)三、第三代：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 時間跨度：時間跨度：19651971 產(chǎn)品特性：集成電路，操作系統(tǒng)產(chǎn)品特性：集成電路，操作系統(tǒng) 運(yùn)算速度：幾十萬次運(yùn)算速度：幾十萬次幾幾百萬次

8、百萬次/ /秒秒 四、第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)四、第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 時間跨度：時間跨度：19721990 產(chǎn)品特性：大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲器，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)產(chǎn)品特性：大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲器，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn) 運(yùn)算速度：幾百萬次運(yùn)算速度：幾百萬次幾幾千萬次千萬次/ /秒秒 五、第五代：巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)五、第五代：巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 時間跨度：時間跨度：1991至今至今 產(chǎn)品特性：產(chǎn)品特性：VLSI、ULSI，半導(dǎo)體存儲器，微機(jī)發(fā)展迅速半導(dǎo)體存儲器，微機(jī)發(fā)展迅速 運(yùn)算速度：幾億次運(yùn)算速度：幾億次幾百億次幾百億次/秒秒 1.1.2.1 2.1 計(jì)

9、算機(jī)的五代變化計(jì)算機(jī)的五代變化 代 別年 代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域 第1代 20世紀(jì)40年代 中期50年代 末期 CPU：電子管 內(nèi)存：磁鼓 使用機(jī)器語言和 匯編語言編寫程 序 科學(xué)和工程計(jì) 算 第2代 20世紀(jì)50年代 中、后期60 年代中期 CPU：晶體管 內(nèi)存：磁芯 使用FORTRAN等 高級程序設(shè)計(jì)語 言 開始廣泛應(yīng)用 于數(shù)據(jù)處理領(lǐng) 域 第3代 20世紀(jì)60年代 中期70年代 初期 CPU：SSI，MSI 內(nèi)存：SSI，MSI 的半導(dǎo)體存儲器 操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)等開 始使用 在科學(xué)計(jì)算、 數(shù)據(jù)處理、工 業(yè)控制等領(lǐng)域 得到廣泛應(yīng)用 代 別年 代使用的元器件使用的軟

10、件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域 第4代 20世紀(jì)70年代 中期90年 代 CPU：LSI、 VLSI 內(nèi)存：LSI、 VLSI的半導(dǎo)體存 儲器 軟件開發(fā)工具和 平臺、分布式計(jì) 算 家庭和個人開 始使用計(jì)算機(jī) 第5代 20世紀(jì)90年代 初期至今 CPU：ULSI 網(wǎng)絡(luò)軟件、嵌入 式操作系統(tǒng) 深入社會生活 的各個領(lǐng)域 1.1.2.2 2.2 半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展 20世紀(jì)世紀(jì)5060年代年代，所有計(jì)算機(jī)存儲器都是由微小的，所有計(jì)算機(jī)存儲器都是由微小的 鐵磁體環(huán)構(gòu)成；鐵磁體環(huán)構(gòu)成； 1970年年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半 導(dǎo)體存儲器；導(dǎo)體存儲

11、器； 從從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片代：單個芯片 1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、 16MB、64MB、256MB、1GB。 （其中（其中1K=210,1M=220,1G=230） l1971年年Intel 4004，這是第一個將，這是第一個將CPU的所有元件都放入同的所有元件都放入同 一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品；一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品； l1972年年Intel 8008，這是第一個，這是第一個8位微處理器，比位微處理器，比4004復(fù)雜復(fù)雜 一倍；一倍； l1974年年Intel 8080，這是第一個通用微處理器，而，這是第一個通

12、用微處理器，而4004和和 8008是為特殊用途而設(shè)計(jì)的。是為特殊用途而設(shè)計(jì)的。8080是為通用微機(jī)而設(shè)計(jì)的是為通用微機(jī)而設(shè)計(jì)的 中央處理器；中央處理器； l20世紀(jì)世紀(jì)70年代末出現(xiàn)強(qiáng)大的通用年代末出現(xiàn)強(qiáng)大的通用16位微處理器，位微處理器，8086便是便是 其中之一；其中之一； l1981年貝爾實(shí)驗(yàn)室和年貝爾實(shí)驗(yàn)室和HP公司開發(fā)出了公司開發(fā)出了32位單片微處理器；位單片微處理器； lIntel于于1985年推出了年推出了32位微處理器位微處理器Intel 80386； l 到現(xiàn)在的到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器。位處理器和多核處理器。 1.1.2.3 2.3 微處理器的發(fā)展微處理器的發(fā)展

13、一臺計(jì)算機(jī)性能的高低好壞，因素是多方面一臺計(jì)算機(jī)性能的高低好壞，因素是多方面 的，如它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、外設(shè)配置、軟的，如它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、外設(shè)配置、軟 件種類等。件種類等。 性能指標(biāo)通常分為絕對和相對兩類。性能指標(biāo)通常分為絕對和相對兩類。 絕對指標(biāo)：絕對指標(biāo)：MIPS 相對指標(biāo)：加速比相對指標(biāo)：加速比 性能價格比、機(jī)器字長、運(yùn)算速度、機(jī)器容量、性能價格比、機(jī)器字長、運(yùn)算速度、機(jī)器容量、 指令系統(tǒng)、計(jì)算速度、工藝形式等等。指令系統(tǒng)、計(jì)算速度、工藝形式等等。 1.1.2.3 2.3 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 算式：算式：y=ax+b-c 工具：算盤、橫格紙和筆工具：算盤、橫格紙

14、和筆 步驟：步驟： 1.1.3.1 3.1 硬件組成要素硬件組成要素 例如：例如： 計(jì)算機(jī)的解題過程和算盤解題相似，可以計(jì)算機(jī)的解題過程和算盤解題相似，可以 從算盤的解題過程推演計(jì)算機(jī)的硬件組成。從算盤的解題過程推演計(jì)算機(jī)的硬件組成。 行行 數(shù)數(shù)解體步驟和數(shù)據(jù)解體步驟和數(shù)據(jù)說明說明 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 a 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) b 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) c 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) x 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 取數(shù)取數(shù) (09)-算盤算盤 a 取數(shù)取數(shù) (12)-算盤算盤 ax 取數(shù)取數(shù) (10)-算盤算盤 ax+b 取數(shù)取數(shù) (11)-算盤算盤 ax+b-c 存數(shù)存數(shù) y-13 把算盤上

15、把算盤上y值記到第值記到第13行行 輸出輸出 把算盤上的把算盤上的y值寫出給人看值寫出給人看 y 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 停止停止 運(yùn)算完畢，暫停運(yùn)算完畢，暫停 v原始數(shù)據(jù)和解題步驟存儲原始數(shù)據(jù)和解題步驟存儲 紙紙(Paper)-存儲器存儲器(Memory) v運(yùn)算工具運(yùn)算工具 算盤算盤(Abacus)-運(yùn)算器運(yùn)算器(Arithmetic and Logic Unit) v解題步驟和原始數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算結(jié)果的輸出解題步驟和原始數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算結(jié)果的輸出 筆筆(pen)-輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備(Input/Output) v整個計(jì)算過程的調(diào)度控制整個計(jì)算過程的調(diào)度控制 人腦人腦(brain)-控制器控制器

16、(Control Unit) 主機(jī)：CPU+內(nèi)存 功能功能(function)：算術(shù)和邏輯運(yùn)算算術(shù)和邏輯運(yùn)算 寄存器寄存器B累加器累加器A 運(yùn)算單元電路運(yùn)算單元電路 運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖 數(shù)制：二進(jìn)制數(shù)制：二進(jìn)制 采用二進(jìn)制的采用二進(jìn)制的： (1) 容易實(shí)現(xiàn)容易實(shí)現(xiàn) (2) 運(yùn)算規(guī)律簡單運(yùn)算規(guī)律簡單 (3) 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 (4) 為實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和邏輯判斷提供了便利為實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和邏輯判斷提供了便利 運(yùn)算器的長度一般是運(yùn)算器的長度一般是8位、位、16位、位、32位、位、64位和位和128位位 功能功能(function)：存放程序存放程序(指令指令)和

17、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)(realization)：用半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)。用半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)。 分類分類(classify)：內(nèi)存儲器和外存儲器內(nèi)存儲器和外存儲器 存儲容量存儲容量(capacity)：計(jì)算機(jī)中存儲單元的總數(shù)；單位計(jì)算機(jī)中存儲單元的總數(shù)；單位bit、 byte、KB 、MB 、GB 、TB 、PB 存儲單元存儲單元 0 1 2 3 m 存儲器結(jié)構(gòu)示意圖存儲器結(jié)構(gòu)示意圖 存儲器存儲器 外存儲器外存儲器 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器 磁盤磁盤 磁帶磁帶 磁鼓磁鼓 光盤光盤 ROM RAM ROM PROM EPROM EEPROM SRAM DRAM SDRAM EDRAM 任務(wù)任務(wù)(Task)：從

18、內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然 后執(zhí)行某種操作。后執(zhí)行某種操作。 (1)(1) 計(jì)算程序計(jì)算程序：解決某一問題的一串指令序列稱為該解決某一問題的一串指令序列稱為該 問題的計(jì)算程序。問題的計(jì)算程序。 注意注意：計(jì)算程序是在運(yùn)行前事先把指令和數(shù)據(jù)順序存放到：計(jì)算程序是在運(yùn)行前事先把指令和數(shù)據(jù)順序存放到 存儲器中?？刂破骺刂朴?jì)算機(jī)按照指令順序執(zhí)行解決問題。存儲器中?？刂破骺刂朴?jì)算機(jī)按照指令順序執(zhí)行解決問題。 注意注意：指令的操作碼和地址碼都是用：指令的操作碼和地址碼都是用二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼表示的。表示的。 （2） 指令形式指令形式 ：一條指令必須明確指示出從哪個單元

19、：一條指令必須明確指示出從哪個單元 中取數(shù)，并進(jìn)行何種性質(zhì)的操作；即指令由操作碼和地中取數(shù)，并進(jìn)行何種性質(zhì)的操作；即指令由操作碼和地 址碼組成，分別指出操作的性質(zhì)和操作數(shù)的地址。址碼組成，分別指出操作的性質(zhì)和操作數(shù)的地址。 操操 作作 碼碼地地 址址 碼碼 指令指令操作碼操作碼 加法加法001 減法減法010 乘法乘法011 除法除法100 取數(shù)取數(shù)101 存數(shù)存數(shù)110 打印打印111 停機(jī)停機(jī)000 101 1001 011 1100 001 1010 010 1011 110 1101 111 xxxx 000 xxxx a b c x y 指令的操作碼定義指令的操作碼定義 指令和數(shù)據(jù)在

20、存儲器中指令和數(shù)據(jù)在存儲器中 用二進(jìn)制碼存儲用二進(jìn)制碼存儲 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 按照程序所排的指令序列，先從存儲器中取出一條按照程序所排的指令序列，先從存儲器中取出一條 指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分 析判別，然后根據(jù)指令的性質(zhì)，執(zhí)行該指令，進(jìn)行相應(yīng)析判別，然后根據(jù)指令的性質(zhì)，執(zhí)行該指令，進(jìn)行相應(yīng) 的操作；接著取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依的操作；接著取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依 此類推。此類推。 術(shù)語術(shù)語： 1. 位位(Bit):計(jì)算機(jī)的最小信息單位計(jì)算機(jī)的最小信息單位 2

21、. 字節(jié)字節(jié)(Byte)：1Byte=8 bits 3. 字字(Word)：由一個以上的字節(jié)組成由一個以上的字節(jié)組成 4. 字長字長：組成一個字的二進(jìn)制位數(shù)：組成一個字的二進(jìn)制位數(shù) 5. 指令字指令字：字的內(nèi)容是一條指令：字的內(nèi)容是一條指令 6. 數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)據(jù)字：代表要處理的數(shù)據(jù)：代表要處理的數(shù)據(jù) 7. 指令流指令流：取指周期從內(nèi)存中讀出的信息流：取指周期從內(nèi)存中讀出的信息流 是指令流，它流向控制器。是指令流，它流向控制器。 8. 數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流：在執(zhí)行周期中從內(nèi)存中讀出的信息：在執(zhí)行周期中從內(nèi)存中讀出的信息 流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。 4 4 適配器適配器(

22、 (adapter)adapter)和輸入輸出設(shè)備和輸入輸出設(shè)備( (I/O)I/O) 輸入輸入(Input)設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、麥克風(fēng)等設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、麥克風(fēng)等 輸出輸出(Output)設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀 輸入輸入/輸出設(shè)備：硬盤、軟盤、磁帶、磁鼓等輸出設(shè)備：硬盤、軟盤、磁帶、磁鼓等 (1)輸入輸出設(shè)備：輸入輸出設(shè)備： (2)適配器：適配器： 作用：相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器、保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)作用：相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器、保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)特性所要求的形式接發(fā)信息。系統(tǒng)特性所要求的形式接發(fā)信息。 常見有：網(wǎng)絡(luò)適配器、顯卡適配器等常見有：網(wǎng)絡(luò)適

23、配器、顯卡適配器等 5. 5. 總線總線( (Bus)Bus) 是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。 l（1）存儲程序控制：要求計(jì)算機(jī)完成的功能，需要 事先編制成相應(yīng)的程序，并輸入到存儲器中，在控 制器的控制下，有條不紊地工作。 l（2）程序和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制表示。 l（3）程序由指令序列構(gòu)成，任何一條指令序列都包 含操作碼和地址碼。 l（4）全機(jī)以CPU為中心，輸入的信息在CPU控制下 才能寫入主存儲器，輸出的信息也只有在CPU控制下 才能從主存儲器中取出送至相應(yīng)的輸出設(shè)備。 I/0 輸入設(shè)備 輸

24、出設(shè)備 運(yùn)算器 控制器 存儲器 CPU Basic Functional Units of a Computer 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成 小結(jié)（小結(jié)（SummarySummary） 運(yùn)算器 (ALU) 控制器 存儲器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 數(shù)據(jù)流 控制流 1946年Von Neumann提出存儲程序計(jì)算機(jī)模型。 1.4.1 軟件的組成與分類軟件的組成與分類 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序 各種服務(wù)性程序：診斷、排錯等各種服務(wù)性程序：診斷、排錯等 語言程序：匯編、編譯、解釋等語言程序：匯編、編譯、解釋等 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 工程設(shè)計(jì)程

25、序工程設(shè)計(jì)程序 數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理程序 自動控制程序自動控制程序 企業(yè)管理程序企業(yè)管理程序 情報(bào)檢索程序情報(bào)檢索程序 科學(xué)計(jì)算程序科學(xué)計(jì)算程序 計(jì)算機(jī)軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算機(jī)軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)器語言機(jī)器語言：使用：使用1和和0編制。計(jì)算機(jī)直接可以識別和執(zhí)行。缺點(diǎn)：編制。計(jì)算機(jī)直接可以識別和執(zhí)行。缺點(diǎn)： 要熟悉指令系統(tǒng)、繁雜、容易出錯、不易調(diào)試、只有專家使用。要熟悉指令系統(tǒng)、繁雜、容易出錯、不易調(diào)試、只有專家使用。 匯編語言匯編語言：對機(jī)器指令采用助記符的表示，能夠用符號語言編寫。：對機(jī)器指令采用助記符的表示，能夠用符號語言編寫。 簡單直觀、便于記憶。不能為計(jì)算機(jī)識別，使用匯編程序，把符簡

26、單直觀、便于記憶。不能為計(jì)算機(jī)識別，使用匯編程序，把符 號語言編寫的程序翻譯為機(jī)器代碼。號語言編寫的程序翻譯為機(jī)器代碼。 高級語言高級語言：按照實(shí)際需求規(guī)定一套基本符號以及由基本符號構(gòu)成：按照實(shí)際需求規(guī)定一套基本符號以及由基本符號構(gòu)成 程序的規(guī)則。更加接近自然語言，直觀通用、與具體機(jī)器無關(guān)。程序的規(guī)則。更加接近自然語言，直觀通用、與具體機(jī)器無關(guān)。 編譯程序編譯程序：把整個源程序翻譯為機(jī)器代碼或匯編代碼的程序，它：把整個源程序翻譯為機(jī)器代碼或匯編代碼的程序，它 和運(yùn)行系統(tǒng)一起組成編譯系統(tǒng)。和運(yùn)行系統(tǒng)一起組成編譯系統(tǒng)。 解釋程序解釋程序：對源程序逐行解釋并立即執(zhí)行的程序。：對源程序逐行解釋并立即執(zhí)

27、行的程序。 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)：管理整個系統(tǒng)的軟硬件資源，提高資源使用率，方便：管理整個系統(tǒng)的軟硬件資源，提高資源使用率，方便 用戶對計(jì)算機(jī)的使用。用戶對計(jì)算機(jī)的使用。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)存儲、處理、傳輸、查詢、共享管理程序。：數(shù)據(jù)存儲、處理、傳輸、查詢、共享管理程序。 1.1.5.1 5.1 多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 發(fā)展及計(jì)算機(jī)使用人員發(fā)展及計(jì)算機(jī)使用人員 的不同層次，將計(jì)算機(jī)的不同層次，將計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分，在系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分，在 每個層次上都可以進(jìn)行每個層次上都可以進(jìn)行 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)

28、算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖 編譯程序編譯程序 高級語言級高級語言級5 5級級 微程序微程序 一般機(jī)器級一般機(jī)器級 2 2級級 匯編程序匯編程序 匯編語言級匯編語言級 4 4級級 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級3 3級級 微程序設(shè)計(jì)級微程序設(shè)計(jì)級1 1級級 微程序直接由硬件執(zhí)行微程序直接由硬件執(zhí)行 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 人人 應(yīng)用語言級應(yīng)用語言級 為人民服務(wù)級為人民服務(wù)級 高級語言級高級語言級 讀書、學(xué)習(xí)級讀書、學(xué)習(xí)級 匯編語言級匯編語言級 語言、思維級語言、思維級 操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級 生理功能級生理功能級 傳統(tǒng)機(jī)器級傳統(tǒng)機(jī)器級 人體器官級人體器官級 微程序機(jī)器級微程序機(jī)器級 細(xì)胞組織級

29、細(xì)胞組織級 電子線路級電子線路級 分子級分子級 一般來說，一般來說，1 1級以下由硬件實(shí)現(xiàn)，二級以上由軟件實(shí)現(xiàn)。級以下由硬件實(shí)現(xiàn)，二級以上由軟件實(shí)現(xiàn)。 VLSIVLSI、ULSIULSI的發(fā)展使得軟、硬件界限不明顯。的發(fā)展使得軟、硬件界限不明顯。 原理上任何操作可由軟件完成，也可由硬件完成。對某一原理上任何操作可由軟件完成，也可由硬件完成。對某一 機(jī)器功能而言，采用硬件實(shí)現(xiàn)還是軟件實(shí)現(xiàn)，主要取決于價機(jī)器功能而言，采用硬件實(shí)現(xiàn)還是軟件實(shí)現(xiàn)，主要取決于價 格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。 固件固件(Firmware)：程序固化了的程序固化了的

30、ROM；形態(tài)是硬件，實(shí)現(xiàn)形態(tài)是硬件，實(shí)現(xiàn) 軟件的功能。軟件的功能。 進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)計(jì)面向高級語言的計(jì)算機(jī)，不經(jīng)過編譯，進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)計(jì)面向高級語言的計(jì)算機(jī)，不經(jīng)過編譯， 硬件直接執(zhí)行高級語言的語句。硬件直接執(zhí)行高級語言的語句。 1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 定義：定義：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言程序計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言程序 員或編譯程序編寫者所看到的員或編譯程序編寫者所看到的外特性外特性。所謂外特所謂外特 性，就是計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。性，就是計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。 經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)：經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件界面的確定，其界面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件界面的確定，其界面 之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固 件的功能。件的功能。 2計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)組織是指計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組織是指計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)